Πληροφορική. Ενότητα 12: Υπολογιστική και Μηχανολογία: το «παιχνίδι της ζωής» και η. προσομοίωση δομικών μεταβολών χάλυβα και δασικών πυρκαγιών

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Πληροφορική Ενότητα 12: Υπολογιστική και Μηχανολογία: το «παιχνίδι της ζωής» και η προσομοίωση δομικών μεταβολών χάλυβα και δασικών πυρκαγιών Κωνσταντίνος Καρατζάς Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Πληροφορική Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Πληροφορική Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών 3

4 Υπολογιστική & και Μηχανολογία: το «παιχνίδι της ζωής» και η προσομοίωση δομικών μεταβολών χάλυβα και δασικών πυρκαγιών Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

5 Το παιχνίδι της ζωής του Conway Σύλληψη του άγγλου μαθηματικού John Conway (1970) Αποτελείται από πολύ απλούς κανόνες σε σχέση με «οργανισμούς» και τη γέννηση, την επιβίωση και το θάνατό τους Θεωρείται ένα από τα πιο κλασσικά παραδείγματα «κυτταρικών αυτομάτων» Συνδέεται με ποικίλες άλλες περιοχές της τεχνητής νοημοσύνης, όπως οι μηχανές Turing και οι ιοί υπολογιστών. Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

6 Το παιχνίδι της ζωής Οι οργανισμοί ζουν σε κάνναβο Κάθε κελί έχει 8 γείτονες Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

7 ΠτΖ: κανόνες Βασικός κανόνας: σε κάθε κελί υπάρχει (ή όχι) ένας ζωντανός οργανισμός. Σε κάθε κύκλο του παιχνιδιού οργανισμοί επιβιώνουν, γεννιούνται και πεθαίνουν ως ακολούθως: Υφιστάμενος οργανισμός επιβιώνει εάν έχει 2 ή 3 ζωντανούς γείτονες Ένας οργανισμός πεθαίνει από απομόνωση εάν έχει λιγότερους από 2 γείτονες Ένας οργανισμός πεθαίνει λόγω υπερπληθυσμού εάν έχει περισσότερους από 3 γείτονες Εάν ένα ακατοίκητο κελί έχει ακριβώς 3 γείτονες, θα κατοικηθεί στην επόμενη γενιά

8 Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

9 Αυτή η αλλαγή κατάστασης μας θυμίζει κάτι. Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

10 Βασικά στοιχεία θεωρίας Τι συμβαίνει στον χάλυβα όταν ψυχθεί;, ferrite ( BCC), austenite, ferrite FCC Fe C, cementite 3 BCC 6.67% C Curie po. nonmagnetic to magnetic transition

11 Βασικά στοιχεία θεωρίας Τι συμβαίνει στον χάλυβα όταν ψυχθεί;, ferrite ( BCC), austenite, ferrite FCC Fe C, cementite 3 BCC 6.67% C Curie po. nonmagnetic to magnetic transition

12 Βασικά στοιχεία θεωρίας Τι συμβαίνει στον χάλυβα όταν ψυχθεί;, ferrite ( BCC), austenite, ferrite FCC Fe C, cementite 3 BCC 6.67% C Curie po. nonmagnetic to magnetic transition

13 Βασικά στοιχεία θεωρίας Austenite 0.77% C; FCC Ferrite 0.02% C; BCC Cementite 6.67% C

14 Κάποιες δομές συναρτήσει % C

15 Κάποιες δομές συναρτήσει % C

16 Κάποιες δομές συναρτήσει % C

17 Μικροδομές χάλυβα & ΠτΖ Θεωρούμε αρχική εικόνα μικροδομής χάλυβα που απαρτίζεται από ωστενίτη και μερικούς μόνο πυρήνες φερρίτη. Κάθε κυψελίδα της εικόνας (pixel) που γειτονεύει με φερρίτη, λαμβάνει έναν βαθμό πιθανότητας μετατροπής σε φερρίτη. Η αλλαγή γίνεται στη βάση αυτών των βαθμών, και ακολουθώντας συγκεκριμένους κανόνες.

18 Κανόνες για υλοποίηση Εάν μία κυψελίδα φερρίτη γειτνιάζει με 0,1,4,5,6,7 ή 8 κυψελίδες φερρίτη, τότε καταστρέφεται (0,1 από «μοναξιά», 4-8 λόγω «υπερπληθυσμού») Εάν μία κυψελίδα φερρίτη γειτνιάζει με 2 ή 3 κυψελίδες φερρίτη, τότε επιβιώνει και στο επόμενο χρονικό βήμα Εάν μία κυψελίδα ωστενίτη γειτνιάζει με 3 κυψελίδες φερρίτη, τότε μετατρέπεται σε φερρίτη.

19 Literature

20 Πηγαίνοντας παρακάτω.

21 GoL και διάχυση Διάχυση: διαδικασία βάσει της οποίας μία ιδιότητα ή μια ποσότητα «μεταφέρεται» από μία «περιοχή» του «χώρου» σε άλλη. Θερμότητα Βαφή σε υγρό Κίνηση μυρμηγκιών.

22 GoL και διάχυση Δάσος = πίνακας nxn Κατάσταση κελιών δάσους = 0, 1, 2 (άδειο, δένδρο, καιγόμενο δένδρο) probtree = πιθανότητα ύπαρξης δένδρου στο cell (μπορεί να προκύψει από χάρτη χρήσεων γής, μέσω δορυφορικής επισκόπησης) probburning = πιθανότητα ύπαρξης καιγόμενου δένδρου στο cell (μπορεί να προκύψει από είδος βλάστησης και μετεωρολογικές συνθήκες)

23 Αρχικοποίηση (ψευδοκώδικας) if ένας τυχαίος > probtree if άλλος τυχαίος > probburning τότε cell=2 // το δένδρο καίγεται else τότε cell=1 // το δένδρο δεν καίγεται else cell=0 // δεν υπάρχει δένδρο

24 Αρχικοποίηση (Matlab) grid = zeros(n); % N x N grid με μηδενικά rand1 = rand(n); % N x N τυχαίοι στο (0,1) (ύπαρξη δένδρου) rand2 = rand(n); %(για έλεγχο κάυσης δένδρου) grid(rand1 > probtree) = 1; grid(rand1 > probtree & rand2 > probburning) = 2;

25 Αρχικοποίηση(Matlab) pcolor(grid) axis square

26 Κανόνες ανανέωσης Προσδιορίζουμε την κατάσταση των κελιών στο χρόνο t + 1 στη βάση της τρέχουσας κατάστασης (χρόνος t ) και την κατάσταση των γειτόνων του στην γειτονιά von Neumann (N, S, E, W): N W Κελί E S

27 Κανόνες ανανέωσης Εάν το κελί είναι κενό,παραμένει κενό για t + 1 Εάν το κελί περιέχει καιγόμενο δένδρο, το δένδρο εξαφανίζεται για t + 1 Εάν το κελί περιέχει δένδρο Και βρίσκεται δίπλα σε κελί με καιγόμενο δένδρο, τότε αναφλέγεται με πιθανότητα (1 prob_fire_resistance) Ένα δένδρο μπορεί να αναφλεγεί από τυχαία γεγονότα (κεραυνός, ατύχημα, κλπ): probrandomfire

28 Εφαρμογή των κανόνων σε κάθε κελί i γραμμές; j στήλες Πρόβλημα: τι κάνουμε στα άκρα (boundaries)? (i-1, j) (i, j-1) (i, j) (i, j+1) (i+1, j)

29 Χειρισμός οριακών συνθηκών Κυψελίδες εκτός της περιμέτρου είναι ανενεργές (τίποτα δεν υπάρχει δυτικά της στήλης 1 και ανατολικά της N; βόρεια της γραμμής 1 και νότια της N)

30 Periodic Boundary Conditions Ετσι οι στήλες 1 και n γειτονεύουν!!

31 Periodic Boundary Conditions Όμοια οι γραμμές 1 και n είναι γείτονες!

32 Periodic Boundary Conditions Οπότε έτσι προκύπτει ότι ο «χώρος» μας είναι ένας τόρος!.

33 Periodic Boundary Conditions στο Matlab Η συνάρτηση circshift το κάνει αυτό για εμάς! >> a = [1 2 3; 4 5 6; 7 8 9] a = >> circshift(a, [0 1]) % W neighbors ans =

34 Οπότε για κάθε κυψελίδα ισχύει ότι Η βόρεια κυψελίδα της είναι η circshift(oldgrid,[1 0] Η νότια κυψελίδα της είναι η circshift(oldgrid, [-1,0]) Η ανατολική κυψελίδα της είναι η circshift(oldgrid, [0-1]) Η δυτική κυψελίδα της είναι η circshift(oldgrid, [0 1]) Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

35 Μεταφράζοντας τους κανόνες σε Matlab Εάν το κελί είναι κενό,παραμένει κενό για t + 1 % δεν χρειάζεται να κάνουμε τίποτα

36 Μεταφράζοντας τους κανόνες σε Matlab Εάν το κελί περιέχει καιγόμενο δένδρο, το δένδρο εξαφανίζεται t + 1 newgrid(oldgrid == 2) = 0;

37 Μεταφράζοντας τους κανόνες σε Matlab Εάν το κελί περιέχει δένδρο Και βρίσκεται δίπλα σε κελί με καιγόμενο δένδρο, τότε αναφλέγεται με πιθανότητα (1 prob_fire_resistance) n = length(oldgrid); % το «μήκος» μιας διάστασης havetree = oldgrid == 1 ; susceptible = rand(n) < (1 - prob_fire_resistance); nfire = circshift(oldgrid, [1 0]) == 2; sfire = circshift(oldgrid, [-1 0]) == 2; efire = circshift(oldgrid, [0-1]) == 2; wfire = circshift(oldgrid, [0 1]) == 2; adjacent = nfire sfire efire wfire; newgrid(havetree & adjacent & susceptible) = 2;

38 Μεταφράζοντας τους κανόνες σε Matlab Ένα δένδρο μπορεί να αναφλεγεί από τυχαία γεγονότα (κεραυνός, ατύχημα, κλπ): probrandomfire newgrid(havetree & (rand(n) < probrandomfire)) = 2;

39 Δοκιμάστε το δικό σας πρόγραμμα!

40 Συνοψίζοντας Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

41 Α κύκλος Στοχεύει (α) στη γνωριμία με τις βασικές αλγοριθμικές διαδικασίες επίλυσης προβλημάτων και (β) στην κατανόηση της λειτουργίας ενός προγράμματος και της παραγωγής αποτελεσμάτων με τη βοήθεια Η/Υ. Στο τέλος του πρώτου κύκλου θα μπορείτε να αναπτύσσετε μικρά προγράμματα και συναρτήσεις και θα γνωρίζετε τα περισσότερα στοιχεία σύνταξης του Matlab Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

42 Α κύκλος Δομές Ακολουθίας Επανάληψης Ελέγχου Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

43 Α κύκλος Συναρτήσεις Ορίσματα εισόδου Διάνυσμα εξόδου Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

44 Α κύκλος «Διανυσματικός» - αποδοτικός προγραμματισμός Χρησιμοποιώ αποτέλεσμα λογικών ελέγχων πίνακα ως δείκτες για να επιδράσω επί συγκεκριμένων στοιχείων πίνακα Χ(Χ>5)=5 Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

45 Β κύκλος Ανάλυση & αποτελεσματικότητα αλγορίθμων Στο τέλος του δεύτερου κύκλου θα είσαστε σε θέση να συγκρίνετε την αποτελεσματικότητα δύο αλγορίθμων και να σχεδιάσετε το δικό σας αλγόριθμο επίλυσης ενός προβλήματος. Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

46 Β κύκλος Αναδρομικές συναρτήσεις Συναρτήσεις που καλούν & χρησιμοποιούν τον εαυτό τους Υπολογιστική πολυπλοκότητα Στοιχειώδεις πράξεις Υπολογιστικά βήματα Γραφικές παραστάσεις Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

47 Γ κύκλος Προσομοιώσεις, μαθηματικές εφαρμογές Matlab Στο τέλος του τρίτου κύκλου θα είσαστε σε θέση να εφαρμόσετε τεχνικές προσομοίωσης για την επίλυση ενός πραγματικού προβλήματος, και να επιλύσετε βασικά προβλήματα με μαθηματικές διαδικασίες μέσω Matlab. Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

48 Γ κύκλος Προσομοιώσεις Τυχαίοι αριθμοί Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

49 Γ κύκλος Μαθηματικά κλπ με Matlab Συμβολική & αναλυτική Επίλυση εξισώσεων Παραγώγιση Ολοκλήρωση Επίλυση συστημάτων Διαφορικές Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

50 Γ κύκλος Simulink Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

51 Στόχοι μαθήματος Ανάλυση ενός προβλήματος και σχεδίαση μιας λύσης (αλγορίθμου). Ανάπτυξη δομημένων, αποδοτικών, κατανοητών και επαναχρησιμοποιήσιμων προγραμμάτων που επιλύουν συγκεκριμένα προβλήματα ή οικογένειες προβλημάτων. Κατανόηση πολύπλοκων προγραμμάτων. Εκτίμηση της αποδοτικότητας της λύσης που δημιουργήσατε (αλγορίθμου). Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

52 Το μάθημα της Πληροφορικής και ο διδάσκων θα είναι πάντα δίπλα σας Καλή συνέχεια στις σπουδές σας! Κ. ΚΑΡΑΤΖΑΣ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

53 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Κωνσταντίνος Καρατζάς. «Πληροφορική. Ενότητα 12: Υπολογιστική και Μηχανολογία: το παιχνίδι της ζωής και η προσομοίωση δομικών μεταβολών χάλυβα και δασικών πυρκαγιών». Έκδοση: 1.0. Θεσσαλονίκη Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Πληροφορική Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών

54 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά - Παρόμοια Διανομή [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. [1] Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Πληροφορική Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών

55 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Τέλος ενότητας Θεσσαλονίκη, Εαρινό Εξάμηνο

56 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Σημειώματα

57 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Πληροφορική Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών